無(wú)人機(jī)航攝成圖技術(shù)在山杏種質(zhì)信息采集上的應(yīng)用

張?jiān)瞥?/p>

(遼寧朝陽(yáng)喀左縣林業(yè)種苗技術(shù)服務(wù)中心,遼寧 喀左 122300)

1 控制點(diǎn)布局與獲取

1.1 應(yīng)用設(shè)備與準(zhǔn)備

應(yīng)用設(shè)備有數(shù)碼相機(jī)、三腳架、中點(diǎn)可折疊桿及GPS。采用“千尋位置”高精度定位，無(wú)需自建基站，通過(guò)千尋網(wǎng)絡(luò)高精度定位服務(wù)，接入測(cè)量地理信息采集終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)像控點(diǎn)布局與獲取。平面坐標(biāo)系為WGS84，高程使用正常高。

1.2 控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)標(biāo)志要明顯、清晰，航拍之前要把控制點(diǎn)用紅色或其他具有明顯顏色的油漆畫(huà)成“L”型或+型，選擇控制點(diǎn)還要避開(kāi)遮擋相機(jī)的實(shí)物，比如較窄溝、高大山或樹(shù)木等陰影、陡坡、較圓的山頂部、高樓或房一角、圍墻角、水源、地形地貌容易改變的位置等。

1.3 控制點(diǎn)觀測(cè)采集

用GPS對(duì)控制點(diǎn)信息至少進(jìn)行兩次觀測(cè)采集，兩次共采集60個(gè)歷元，一次30個(gè)，時(shí)間間隔1秒，當(dāng)天觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)，由電腦管理員負(fù)責(zé)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，并備份保管。在觀測(cè)采集時(shí)不要用通訊設(shè)備，雷雨天氣停止觀測(cè)采集。兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)要進(jìn)行對(duì)比，平面較差和大地高較差超過(guò)5cm，要再觀測(cè)一次，達(dá)到要求即可，如果達(dá)不到要求，過(guò)一定時(shí)間再進(jìn)行觀測(cè)采集。

1.4 無(wú)人機(jī)航拍要求

用無(wú)人機(jī)對(duì)GPS觀測(cè)采集控制點(diǎn)航拍，航拍照片要多張，近照和遠(yuǎn)照搭配進(jìn)行。近照可1張或多張，一定要清晰可見(jiàn)GPS天線位置、中點(diǎn)可折疊桿的中點(diǎn)和觸地點(diǎn)、三腳架觸地點(diǎn)等；遠(yuǎn)照可4張以上照片，將清晰可見(jiàn)控制點(diǎn)周邊的地形、地貌和所有的建筑物、水塘、水壩、林木、道路、溝壑等。觀測(cè)采集和航拍后，要詳細(xì)記錄控制點(diǎn)位置和周?chē)匦蔚孛布捌渌嘘P(guān)實(shí)物，對(duì)控制點(diǎn)和航拍片進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)，在記錄紙上畫(huà)出粗略圖，并做好標(biāo)記，防止搞錯(cuò)。首先把測(cè)量單位寫(xiě)上，其次把設(shè)備高度保留3位小數(shù)記下來(lái)，作為控制點(diǎn)高度輸入電子手簿保存。

1.5 形成控制點(diǎn)信息數(shù)據(jù)

一是在電腦上建立文件夾，有多少個(gè)控制點(diǎn)建多少文件夾，將控制點(diǎn)航攝照片導(dǎo)出放入各自的文件夾。二是導(dǎo)出GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)并整理坐標(biāo)數(shù)據(jù)成果表，制作控制點(diǎn)CSV文件。利用ArcGIS軟件添加X(jué)Y數(shù)據(jù)功能，將控制點(diǎn)導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)，對(duì)照糾正錯(cuò)誤點(diǎn)后形成控制點(diǎn)信息數(shù)據(jù)。

2 無(wú)人機(jī)航攝

2.1 無(wú)人機(jī)航攝任務(wù)建立

應(yīng)用的無(wú)人機(jī)分別為大疆精靈3A和大疆御2Pro。無(wú)人機(jī)航攝控制是通過(guò)DJI GS Pro軟件飛行任務(wù)實(shí)現(xiàn)，模式為測(cè)繪航拍區(qū)域模式。按1∶500航測(cè)法成圖要求，在兼顧航攝效率同時(shí)為提高成圖精度，確定地面分辨率為0.04m。為適應(yīng)不同信息提取任務(wù)需要，建立3類(lèi)飛行任務(wù)，即園區(qū)總體測(cè)繪、種質(zhì)資源區(qū)測(cè)繪和區(qū)組測(cè)繪。園區(qū)總體測(cè)繪取云臺(tái)仰俯角度為-90°，航向重疊度取82%，旁向重疊度取65%。種質(zhì)資源區(qū)測(cè)繪和區(qū)組測(cè)繪采用十字航攝測(cè)繪模式，云臺(tái)仰俯角度為-75°，航向重疊度取82%，旁向重疊度取65%。用單鏡頭實(shí)現(xiàn)多鏡頭傾斜攝影的效果，需要注意的是在航攝任務(wù)規(guī)劃時(shí)，要按目標(biāo)邊界要素最小凸面進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能保證精度，方法是利用ArcGIS軟件的最小邊界幾何工具實(shí)現(xiàn)。

2.2 無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)處理

1)影像批量命名。利用photoshop Bridge 軟件處理，先批量選中影像，打開(kāi)批量命名工具，命名規(guī)則為：字符+日期+時(shí)間+序號(hào)，點(diǎn)擊重命名按鈕。

2)影像地理信息提取。利用ArcGIS軟件的地理標(biāo)記照片轉(zhuǎn)點(diǎn)工具進(jìn)行影像地理信息提取，從中獲取每張照片空間位置、路徑、文件名等信息。按空間位置、時(shí)間要素等條件批量選擇照片，并實(shí)現(xiàn)拷貝、轉(zhuǎn)移和刪除照片工作。

3)影像批處理。在Excel 2007 軟件中打開(kāi)相片文件列表，通過(guò)公式如，="COPY "& C1 & "F:ZYQ1"(C1為照片文件列)批量建立文件處理命令，樣式如COPY F:資料ZY201910Q2DJI_0034.JPG F:ZYQ1，將命令拷貝到記事本中后，保存為擴(kuò)展名為.bat文件。

4)航攝影像概述。全區(qū)航攝共分解4個(gè)飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)共計(jì)起落12架次，作業(yè)時(shí)間約5小時(shí)，拍攝影像3180張。資源區(qū)航攝共分解2個(gè)飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)共計(jì)起落6架次，作業(yè)時(shí)間2小時(shí)，拍攝影像1720張。

3 航測(cè)成圖關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)數(shù)據(jù)處理軟件(Pix4Dmapper)。通過(guò)該軟件對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行處理，得到影像點(diǎn)云、數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括影像、POS和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是在控制點(diǎn)信息觀測(cè)采集時(shí)取得的，對(duì)這些數(shù)據(jù)在航拍時(shí)要進(jìn)行檢查和處理。

3.2 建立工程導(dǎo)入數(shù)據(jù)

打開(kāi)Pix4Dmapper軟件，選項(xiàng)目的新建項(xiàng)目，在彈出對(duì)話(huà)框設(shè)置工程屬性，選航拍項(xiàng)目，不勾傾斜航拍及地面攝影，輸入工程名稱(chēng)，創(chuàng)建路徑(名稱(chēng)和路徑不包含中文字符)，選新建項(xiàng)目，選下一步，點(diǎn)添加圖像，選加入影像，影像路徑(不包含中文字符)可不在工程文件夾中，點(diǎn)Next。

3.3 設(shè)置影像屬性和加入控制點(diǎn)

一是POS數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)默認(rèn)是WGS84地理坐標(biāo)；二是從文件讀取POS文件；三是識(shí)別影像相機(jī)型號(hào)；四是修改高度值。如果發(fā)現(xiàn)高度值浮動(dòng)很大時(shí)，用固定值批量替換高度值，處理后能大幅度提高精度，確定各項(xiàng)設(shè)置后，點(diǎn)Next下一步，點(diǎn)Finish完成工程建立。 單擊“項(xiàng)目→像控點(diǎn)編輯器”，在像控點(diǎn)編輯器中，選擇導(dǎo)入像控點(diǎn)，設(shè)置像控點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)入像控點(diǎn)文件(CSV格式)。

例如：在進(jìn)行準(zhǔn)備活動(dòng)的時(shí)候，老師可以使用稱(chēng)為“呼叫動(dòng)作”的游戲而不是體操，這樣比傳統(tǒng)的準(zhǔn)備活動(dòng)更加生動(dòng)有趣。它可以更有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的激情，從而改善大腦中樞和身體器官的活動(dòng)水平，提高準(zhǔn)備過(guò)程的有效性。而體育比賽小游戲在體育熱身部分的融入可以改善熱身單一化的現(xiàn)狀，使學(xué)生對(duì)體育知識(shí)和運(yùn)動(dòng)更感興趣。例如，在教學(xué)有關(guān)長(zhǎng)跑的時(shí)候，學(xué)生想到1000米、800米等概念，他們就很容易害怕，而且他們的腿會(huì)發(fā)軟。此時(shí)，可以使用各種模式快慢跑的組合，快速和慢速跑步以及交替變換的形式，促使學(xué)生在生動(dòng)有趣的游戲中無(wú)意識(shí)地學(xué)習(xí)新的運(yùn)動(dòng)技能。

3.4 圖像上刺出輪廓控制點(diǎn)及快速處理檢查

打開(kāi)平面編輯器，選擇像控點(diǎn)，在圖像列表選中圖像，預(yù)覽時(shí)會(huì)顯示該圖像。在對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)左鍵，標(biāo)定圖像中控制點(diǎn)。一個(gè)控制點(diǎn)通常標(biāo)注在3～8張圖像上。在質(zhì)量報(bào)告中會(huì)顯示是否需要在更多圖像上標(biāo)出控制點(diǎn)。整個(gè)工程按上、中、下、左、中、右位置均勻選擇9點(diǎn)呈宮字格布局即可，亦可在四角附加4個(gè)點(diǎn)共13個(gè)點(diǎn)，作為初步控制點(diǎn)。設(shè)置完成點(diǎn)OK，控制點(diǎn)即加入工程里面。然后進(jìn)行快速處理檢查，也可不做，快速處理出來(lái)的結(jié)果精度通常較低，但速度很快。在質(zhì)量報(bào)告中主要注意:一是數(shù)據(jù)集；二是相機(jī)參數(shù)優(yōu)化質(zhì)量。

3.5 控制點(diǎn)刺點(diǎn)加密

點(diǎn)菜單欄視圖，打開(kāi)空三射線編輯器，看到生成的連接點(diǎn)和系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制點(diǎn)位置。在左側(cè)的圖像列表框會(huì)顯示這個(gè)控制點(diǎn)所在的所有圖像相片，控制點(diǎn)標(biāo)記會(huì)有一個(gè)黃色圈，圈中間有一個(gè)黃色叉，在相片上用鼠標(biāo)標(biāo)出控制點(diǎn)準(zhǔn)確位置，標(biāo)記中間多個(gè)綠色叉，說(shuō)明這控制點(diǎn)已重新參與計(jì)算得到新位置。檢查其它影像上綠色叉，如與控制點(diǎn)位置能對(duì)應(yīng)上，這控制點(diǎn)不需再標(biāo)注，否則在更多照片中標(biāo)出這控制點(diǎn)。當(dāng)所有圖像綠色叉位置都在正確位置上，點(diǎn)使用按鈕，對(duì)其控制點(diǎn)分別進(jìn)行上述操作，當(dāng)所有控制點(diǎn)都標(biāo)注后[1]，在菜單中選重新優(yōu)化，把新加入控制點(diǎn)加入重建，重新生成質(zhì)量報(bào)告。

3.6 全自動(dòng)處理

開(kāi)始處理前需要進(jìn)行初始化、點(diǎn)云加密、數(shù)字表面模型及正射影像生成設(shè)置。除特別說(shuō)明一般皆為默認(rèn)。

1)初始化處理設(shè)置。圖像比例特征處理選1(Original image size)，優(yōu)化參數(shù)選(optimize externals and all internals)，勾選重新匹配影像。

2)點(diǎn)云加密設(shè)置。像素對(duì)比圖像比例選數(shù)值越大得到的細(xì)節(jié)越多，處理的時(shí)間越長(zhǎng)，最小匹配數(shù)選3。

3)數(shù)字表面模型及正射影像生成設(shè)置。正射影像圖的GeoTiff勾選上，合并瓦片勾選上，選擇Weighted Average(加權(quán)平均)。

3.7 質(zhì)量分析

自動(dòng)處理完成后，軟件給出一個(gè)質(zhì)量分析報(bào)告。主要關(guān)注光束法區(qū)域網(wǎng)平差細(xì)節(jié)、內(nèi)部相機(jī)參數(shù)、地面控制點(diǎn)。

2)內(nèi)部相機(jī)參數(shù)。提供了初始值和優(yōu)化后的值的相機(jī)參數(shù)比較，相機(jī)內(nèi)部參數(shù)之間的相關(guān)性由光束法平差決定。參數(shù)有焦距、像主點(diǎn)坐標(biāo)X、像主點(diǎn)坐標(biāo)Y、R1、R2、R3、T1、T2。

3)地面控制點(diǎn)。每個(gè)控制點(diǎn)定位精度為X、Y、Z 3個(gè)方向平均誤差。最后一列自動(dòng)計(jì)算控制點(diǎn)自動(dòng)匹配和手動(dòng)標(biāo)記影像數(shù)量。最后3行給出了平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差。

報(bào)告最后能夠顯示看出有哪些控制點(diǎn)在無(wú)人機(jī)航拍片的位置，有哪些控制點(diǎn)在無(wú)人機(jī)航拍片上沒(méi)有顯示位置，要想提高精確度，根據(jù)實(shí)際情況在無(wú)人機(jī)航拍片可以全部顯示控制點(diǎn)。

3.8 精度對(duì)比

以檢查點(diǎn)野外量測(cè)為基準(zhǔn)，讀取正射影像的位置和高程信息，其與實(shí)際測(cè)量的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計(jì)算：

式中：m1：檢查點(diǎn)中誤差(m)；

△:檢查點(diǎn)野外實(shí)測(cè)值與讀取值的誤差(m)；

n:參與評(píng)定精度的檢查點(diǎn)數(shù)(每幅圖20～50個(gè))[2]。

檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)35個(gè)，且呈均勻分布。分別計(jì)算平面位置X精度為0.047m，Y精度為0.061m，高程精度為0.123m。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，平面及高程精度均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

3.9 點(diǎn)云以及正射影像編輯輸出

通過(guò)調(diào)整拼接線→投影切換→混合影像→正射影像成果，便可生成最終正射影像成果。

4 無(wú)人機(jī)航攝及正射影像成果

在2016年5月至2020年4月的4年間，共進(jìn)行26次專(zhuān)項(xiàng)航攝。獲取了184360張照片，早期1次全區(qū)航攝要分解64個(gè)飛行任務(wù)，一天只能完成4～6個(gè)任務(wù)，用時(shí)27d。隨著飛行器的更新?lián)Q代和航攝參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了資源區(qū)航攝2小時(shí)，全區(qū)航攝作業(yè)時(shí)間約5小時(shí)即告完成。